Mesure des interactions atomes-surface avec un capteur quantique à atomes froids

Probing atom-surface interactions with an atomic quantum sensor

• Auteur / Autrice : Yann Balland
• Direction : Franck Pereira Dos Santos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/04/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes de référence temps-espace (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Valentina Parigi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Igor Ferrier-Barbut
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Athanasios Laliotis, David Guéry-Odelin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Force de Casimir-Polder

Théorie quantique

Interférométrie

Atomes froids

Mots clés libres

Quantique

Interféromètre

Atomes froids

Casimir-Polder

Atomes piégés

Quantum

Interferometry

Cold atoms

Casimir-Polder

Trapped atoms

Résumé

Ce manuscrit présente les premières mesures de force à faible distance entre un atome et une surface, qui constituait l'objectif à terme du projet Forca-G. La mesure de force est réalisée par interférométrie avec des atomes piégés dans les puits de potentiel formés par un réseau optique vertical. Des transitions Raman stimulées permettent de mesurer la différence d'énergie entre deux puits, c'est-à-dire la force appliquée sur les atomes. En déplaçant les atomes à différentes distances du miroir de manière contrôlée à l'aide d'un ascenseur de Bloch, il est possible de mesurer les variations des forces de surface avec une résolution spatiale de l'ordre du micromètre. Au voisinage de la surface, une sensibilité sur la mesure de force de 3,4 x 10-28 N a été atteinte, à l'état de l'art pour les mesures de force de surface. À des distances de séparation atome-surface inférieure à la centaine de micromètres, des forces électrostatiques dominent, liées aux champs électrostatiques générés par des atomes adsorbés sur la surface. En modélisant ces champs, une autre force est mise en évidence : la force de Casimir-Polder. Ces champs électriques parasites ont pu être mesurés directement avec les atomes piégés, permettant de corriger, quoique imparfaitement, les mesures de l'impact des forces électrostatiques. Enfin, nous avons montré que l'amplitude et le sens des forces atomes-surface étaient modifiés par l'illumination de la surface par de la lumière UV, qui entraîne la charge la surface.

This thesis presents the first force measurements at close range between an atom and a surface, which was the ultimate objective of the Forca-G project. The force is measured by atom interferometry with atoms trapped in potential wells formed by a vertical optical lattice. Stimulated Raman transitions are used to measure the energy difference between two wells, i.e. the force applied to the atoms. By moving the atoms to different distances from the mirror in a controlled manner using a Bloch lift, it is possible to measure variations in surface forces with a spatial resolution of the order of a micrometre. In the vicinity of the surface, a force measurement sensitivity of 3,4 x 10-28 N has been achieved, which is state-of-the-art for surface force measurements. At atom-surface distances of less than a hundred micrometres, electrostatic forces dominate, due to the electrostatic fields generated by atoms adsorbed on the surface. By modelling these fields, another force is highlighted: the Casimir-Polder force. These parasitic electric fields have been measured directly with the trapped atoms, making it possible to correct, albeit imperfectly, the measurements of the impact of the electrostatic forces. Finally, we have shown that the amplitude and the orientation of the atom-surface forces are modified by the illumination of the surface with UV light, which charges the surface.